شارح الدرس: النموذج الذري الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نصِف الاختلافات بين النماذج القديمة للذرَّة وأسباب تطوُّر كل نموذج إلى الآخر.

فكر الفلاسفة اليونانيون القدماء في مفهوم الذرة منذ آلاف السنين. اقترح ديموقريطوس أن الكون يتكون من جسيمات غير قابلة للتجزئة منذ أكثر من 2400 سنة وتوسَّع أصحاب الاعتقاد الذري في فكرة أن التعقيد الهائل الظاهر للكون يمكن تقليصه إلى مجرد تفاعلات بين جسيمات بسيطة. وعارض فلاسفة آخرون الأفكار التي طرحها أصحاب الاعتقاد الذري، وأوقفت انتقاداتهم التقدم العلمي بشكل فعَّال. كان أرسطو، الذي يحظى باحترام المجتمع، يعارض النموذج الذري السائد، واقترح بدلًا منه أن المادة تتكون مما يُعرف الآن بالعناصر التقليدية (الماء، والهواء، والتراب، والنار). وكان يعتقد أن جميع المواد عبارة عن مزيج من العناصر الأربعة الأساسية، وليست مزيجًا من ذرات غير قابلة للانقسام. وافترض أنه يمكن تمييز المواد بعضها عن البعض عن طريق ما تحتويه من العناصر الأربعة. ويمكن تغيير العناصر الأربعة لتحويل مادة إلى أخرى.

توقف التقدم العلمي بفعالية مجددًا بسبب الافتقار إلى المعدات العلمية المتطورة التي يسهل الوصول إليها. كان من السهل نسبيًّا اقتراح نموذج ذري، لكن كان من الأصعب جدًّا تقديم دليل لا يمكن دحضه يثبت أن الكون يتكون من وحدات أساسية من المادة. لم يمتلك اليونانيون القدماء سوى الأدوات العلمية الأساسية، ولم يتمكنوا من تطوير النظرية الذرية من خلال إجراء تجارب بأجهزة علمية متقدمة. لكن تغير كل هذا خلال الثورة الصناعية، عندما أصبح من الممكن حصول علماء مختلفين في جميع أنحاء العالم المتقدم على معدات علمية مخصصة ومصنعة بكميات كبيرة. كان يمكن للعلماء الحصول بسهولة أكبر على معدات علمية متطورة للغاية أثناء الثورة الصناعية وخاصة بعدها.

بدأت الثورة الصناعية في وقت ما خلال سنة 1760، وانتهت ما بين سنة 1820 و1840. غيَّرت الثورة الصناعية طريقة معيشة البشر، وأحدثت ثورة في طريقة إنتاج المجتمع للثروات والموارد. انتقل البشر من عمليات الحرفي الإنتاج البسيطة إلى أشكال تصنيع أكثر تطورًا. حدث تغير مفاجئ أثناء الثورة الصناعية، وفجأة أصبح من السهل نسبيًّا الحصول على الجهاز العلمي المعايِر بدقة المطلوب لاستكشاف المستوى الذري واختبار حدود الفهم البشري. وجاء هذا في التوقيت المناسب لأن علماء، مثل بويل، بدأوا بالفعل في طرح اقتراحات جريئة حول العناصر، وأراد معاصروه تحديد ما إذا كان محقًّا أم مخطئًا. كان بويل يؤيد وينشر فكرة ثورية أثناء ستينيات القرن السابع عشر والتي تداخلت مع أفكار أصحاب الاعتقاد الذري من قدماء الإغريق. وذكر أن هناك ما يسمى بالعناصر النقية. وافترض أن المادة تتكون من عناصر وهو ما يشبه إلى حد كبير ما اقترحه أصحاب الاعتقاد الذري بأن جميع المواد التي تبدو معقدة لا تتكون إلا من ذرات بسيطة. وذكر أن العنصر هو مادة بسيطة لا يمكن تحويلها إلى صورة أبسط من خلال تفاعلات أو طرق كيميائية. أصبحت الأفكار العلمية حول المادة الأساسية شائعة ويصعب تجاهلها خلال بداية الثورة الصناعية، وسارع العلماء في الوصول إلى الأدوات العلمية المتقدمة اللازمة لاختبار ووضع أفكار متداولة على نطاق واسع حول الذرات والعناصر. تسارع معدل الابتكارات العلمية أثناء الثورة الصناعية الأولى وبعدها، ونُشرت العديد من الأبحاث الرائعة التي تناولت تركيب الذرة خلال بداية القرن العشرين.

استخدم جون دالتون بعض الأدوات العلمية البسيطة نسبيًّا لدراسة المادة. وساعدته تجاربه في نهاية المطاف في نشر بحث مهم في عام 1803. تضمن البحث نظرية جديدة عن تركيب الذرات، وجذبت اهتمام العلماء الآخرين بشدة. اقترح دالتون أن جميع العناصر الكيميائية تتكون من ذرات غير قابلة للانقسام، وأن ذرات العنصر الكيميائي الواحد مميزة وتختلف عن ذرات أي عنصر كيميائي آخر. وافترض أنه لا يمكن تحويل ذرات العنصر إلى ذرات عنصر آخر. وافترض أيضًا أنه لا يمكن تكوين أو تدمير أي ذرة خلال أي عملية تفاعل كيميائي. وذهب أبعد من ذلك؛ إذ ذكر أن مركبات المتفاعلات والنواتج لها نفس عدد الذرات المكونة. وافترض أن مركبات النواتج ليست إلا اتحاد ذرات المتفاعلات. واعتقد أن جميع مركبات النواتج تحتوي على عدد الذرات نفسه الموجود في المتفاعلات. وافترض أيضًا أنها تحتوي على الأنواع نفسها من الذرات. يُعيد الشكل الآتي بعض افتراضات دالتون.

يستخدم الشكل ذرات الأكسجين والنيتروجين المُمثلة لشرح ما اقترحه دالتون، ولماذا كانت افتراضاته عميقة جدًّا. ذكر دالتون أن المركبات الجزيئية مثل أكسيد النيتريك ليست إلا مجموع الذرات المكوِّنة مثل ذرات النيتروجين وذرات الأكسجين. تمكن هذا الافتراض الذي يبدو بسيطًا من تفسير العديد من القوانين والظواهر العلمية التي أعجزت علماء آخرين في جميع أنحاء العالم المتقدم. وتمكن دالتون بشكل مرضٍ من تفسير سبب اتحاد المتفاعلات عادة بنسب محددة جيدًا، كما نجح في تفسير لماذا تتحدَّد عادة كتلة النواتج من خلال كتلة المتفاعلات. كان دالتون من أوائل العلماء الذين حققوا تقدمًا جديًّا في تحديد تركيب الذرة، وتُعرف نظريته وافتراضاته باسم نموذج الكرة المصمتة.

قَبِل معظم علماء القرن التاسع عشر نموذج الكرة المصمتة بشكل عام لأنه يمكن أن يفسر سبب ارتباط كتلة النواتج دائمًا بكتلة المتفاعلات. قدَّم النموذج تفسيرًا مرضيًا للعديد من الملاحظات والقوانين العلمية التي وضعها أكاديميون مشهورون مثل جوزيف بروست وأنطوان لافوازييه. حظي نموذج الكرة المصمتة بالقبول والتقدير لفترة، ولكن كان لا بد من مراجعته عندما أظهر جيه جيه طومسون أن أشعة المهبط تتكون من جسيمات سالبة الشحنة صغيرة بدرجة لا يمكن تصورها.

صاغ يوجين جولدشتاين في الأصل مصطلح «شعاع المهبط» في عام 1876. وقد صاغ هذا المصطلح لوصف نوع مجهول من الإشعاع المنبعث من مهبط أنبوب تفريغ. واستمر علماء آخرون في دراسة أشعة المهبط على مدار العقدين التاليين، لكن لم يتمكن أحد منهم من تحديد ما إذا كانت أشعة المهبط مادية أو غير مادية بشكل قاطع. لم يتمكن أي من علماء القرن التاسع عشر من تحديد ما هي أشعة المهبط وما تحتويه بصورة قاطعة. ولكن تغير هذا كله عندما بدأ جيه جيه طومسون في إجراء تجارب رائدة على أنابيب أشعة المهبط بعد بداية القرن العشرين مباشرة. ويوضح الشكل الآتي توضيحًا تخطيطيًّا مبسطًا جدًّا لنوع أنبوب أشعة المهبط الذي استخدمه جيه جيه طومسون لإثبات وجود جسيم دون ذري أساسي.

العملية الأساسية لأنبوب أشعة المهبط يسهل فهمها نسبيًّا. فهي تحتوي على مهبط ومصعد عند أحد الطرفين، وشاشة فوسفورية على الطرف الآخر. تتولد أشعة المهبط عند تطبيق فرق جهد عالٍ بين المهبط والمصعد. وتنتقل أشعة المهبط هذه عبر أنبوب أشعة المهبط في خط مستقيم، وتصطدم في النهاية بالشاشة الفوسفورية. ويمكن وصفها بأنها ذات تأثير حراري؛ لأنها تولِّد حرارة عند اصطدامها بالشاشة الفوسفورية أو أي نوع آخر من الأسطح. يمكن دراسة التفاعل بين أشعة المهبط والشاشة الفوسفورية بسهولة نسبيًّا؛ لأن كل أشعة تنتج بقعة ساطعة عند نقطة التداخل. عادة ما يظل ضغط الغاز منخفضًا جدًّا داخل أنبوب أشعة المهبط. وهذا يساعد على التأكُّد من أن جسيمات الغاز لن تعيق أشعة المهبط أثناء انتقالها من المهبط إلى الشاشة الفوسفورية.

يوضح الشكل الآتي إحدى أهم تجارب جيه جيه طومسون. يوضح الشكل أن طومسون وضع لوحين معدنيين شحناتهما متضادة عبر أنبوب أشعة المهبط. ووجد أنه يمكن أن يجعل شعاع المهبط ينحرف بفعل المجال الكهربي الناتج عن اللوحين المشحونين كهربيًّا. كان شعاع المهبط ينحرف دائمًا في الاتجاه المعاكس للشحنة السالبة. دائمًا ما ينحرف شعاع المهبط اتجاه اللوح الموجب الشحنة بعيدًا عن اللوح السالب الشحنة. قدمت هذه التجربة دليلًا قويًّا على أن أشعة المهبط تتكون من جسيمات سالبة الشحنة. كما أوضحت أن أشعة المهبط تتأثر بالمجالات الكهربية. كان هذا أمرًا رائعًا آنذاك؛ لأن طومسون أظهر أيضًا أن أشعة المهبط تتأثر بالمجالات المغناطيسية. أدرك طومسون أن أشعة المهبط تتكون من جسيمات سالبة الشحنة، لكنه أراد معرفة المزيد عن خواصها الفيزيائية. ووضع تجربة أخرى شديدة الارتباط بالتجربة الأولى لتحديد نسبة الشحنة إلى الكتلة لجسيمات شعاع المهبط.

يوضح الشكل الآتي كيف استخدم طومسون مجموعة من المجالات الكهربية والمغناطيسية لتحديد نسبة الشحنة إلى الكتلة لجسيمات أشعة المهبط. ولَّد في البداية مجالًا كهربيًّا بفعل اللوحين المتضادَّيِ الشحنة، الموضوعين على طرفي أنبوب أشعة المهبط. وأدَّى هذا إلى انحراف أشعة المهبط إلى أحد الطرفين. وبعد ذلك، استخدم مغناطيسًا كهربيًّا لإنتاج مجال مغناطيسي. وغَيَّرَ شدة المجال المغناطيسي لجعل أشعة المهبط المنحرفة تستقيم مرة أخرى. وكان يوازن بفعالية بين شدتي المجال الكهربي والمجال المغناطيسي المعلومتين لحساب نسبة الشحنة الواحدة إلى الكتلة. استخدم طومسون هذه التجربة وبعض العمليات الحسابية البسيطة لتوضيح أن أشعة المهبط تحتوي على جسيمات كتلتها ضئيلة للغاية. وأوضح أن أشعة المهبط تحتوي على جسيمات سالبة الشحنة أخف أكثر من 1‎ ‎000 مرة من ذرة الهيدروجين. واقترح طومسون بعد ذلك أن جسيمات أشعة المهبط هي وحدات أساسية في المادة. وقدم اقتراحًا جريئًا ينص على أن جسيمات أشعة المهبط هي جسيمات دون ذرية تعتبر مكوِّنًا لجميع الذرات.

تمكن جيه جيه طومسون من توضيح أن أشعة المهبط تتكون من جسيمات سالبة الشحنة أصغر بكثير من الذرات. وافترض أن هذه الجسيمات (الإلكترونات) هي ركيزة أساسية في جميع الذرات، وطرح في نهاية المطاف نموذج حلوى البرقوق الشهير جدًّا للتركيب الذري. يصف الشكل الآتي نموذج حلوى البرقوق لطومسون. اقترح نموذج حلوى البرقوق أن الإلكترونات تكون موزَّعة في أي ذرة بشكل يشبه إلى حد كبير الفاكهة المجفَّفة الصغيرة في حلوى البرقوق الكبيرة. ويفترض أن الإلكترونات هي جسيمات صغيرة جدًّا سالبة الشحنة مطمورة في بحر من الشحنات الكهربية الموجبة. ويفترض أن جميع الذرات متعادلة الشحنة؛ لأن بها عددًا كافيًا من الجسيمات السالبة الشحنة لتوزان شحنتها الكهروستاتيكية الموجبة.

كان لجيه جيه طومسون تأثير دائم على تطور العلوم؛ لأنه ساعد في تدريب العديد من العلماء الأكثر أهمية وتأثيرًا الذين استمروا في تحسين النموذج الذري. وكان طومسون محلَّ احترام باعتباره واحدًا من أكثر المعلِّمين العلميين كفاءةً، وكان من بين طلابه ومساعديه في الأبحاث علماء رائدون في فيزياء الكم، مثل إرنست رذرفورد ونيلز بور.

كان عمل جيه جيه طومسون ثوريًّا حقًّا، وشجع العلماء الآخرين على استخدام أدوات علمية متقدمة لتحديد خواص الإلكترونات قدر الإمكان. استخدم روبرت إيه ميليكان وهارفي فليتشر تجربة قطرة الزيت الشهيرة لتحديد الشحنة الكهربية لإلكترون في جامعة شيكاغو عام 1909. وحاولوا تحديد شحنة الإلكترون عن طريق تحليل خواص قطرات الزيت الصغيرة المشحونة كهربيًّا عند وضعها بين لوحين معدنيين مشحونين بشحنات متضادة. نجحت تجربتهما نجاحًا كبيرًا وساعدتهما في تحديد شحنة الإلكترون. ويوضح الشكل الآتي كيف استخدم ميليكان وفليتشر الإشعاع وقطرات الزيت لتحديد شحنة الإلكترون.

كان إرنست رذرفورد أحد أشهر طلاب جيه جيه طومسون ليس فقط لأنه خلَفه في أستاذية كافنديش للفيزياء، بل أيضًا لأنه صمم تجارب مفيدة كشفت عن وجود النواة الموجبة الشحنة. ويمثل الشكل الآتي تجربة رذرفورد الشهيرة وهي تجربة رقاقة الذهب أو رقائق الذهب. صمم إرنست رذرفورد هذه التجربة وأشرف عليها، لكن أجراها بالفعل مساعداه هانس جيجر وإرنست مارسدن. يمكن القول إن تجرِبة رقاقة الذهب هي أكثر تجربة علمية رائدة أجريت على الإطلاق. استخدم العلماء مصدرًا من الراديوم لإنتاج شعاع من جسيمات ألفا (). ووجَّهوا هذا الشعاع إلى شريحة رقيقة من رقائق الذهب، ورصدوا كيف ارتدت جسيمات ألفا من رقاقة الذهب، وتفاعلت مع شاشة الكشف الدائرية المضيئة. لاحظوا أن معظم جسميات ألفا تفاعلت تفاعلات ضعيفة مع رقاقة الذهب. ولم تتأثر معظم جسيمات ألفا نسبيًّا عند تفاعلها مع الشريحة الرقيقة من رقائق الذهب. ويمكن استخدام هذا باعتباره دليلًا يدعم فكرة أن الذرة تحتوي على العديد من الفراغات. انحرفت بعض جزيئات ألفا بزاوية صغيرة نسبيًّا، واصطدمت في النهاية بجزء صغير نسبيًّا من شاشة الكشف الدائرية. ويمكن استخدام هذه الملاحظة باعتبارها دليلًا يدعم فكرة أن الذرة تحتوي على منطقة ذات شحنة موجبة مُركزة.

تَمثَّل الاكتشاف غير المسبوق في أن بعض جسيمات ألفا تفاعلت تفاعلات قوية للغاية مع رقاقة الذهب. وارتد بعض جسيمات ألفا بشكل أساسي بالقرب من أو مباشرة اتجاه مصدر جسيم ألفا. كانت هذه الملاحظة محيرة حقًّا؛ إذ بدت أنها تناقض مباشرة النماذج الفيزيائية المتعارف عليها للذرة. وأظهرت أن جيه جيه طومسون كان مخطئًا. ترتد جسيمات ألفا بالقرب من مصدر جسيمات ألفا أو في اتجاهه مباشرة فقط إذا كانت الذرة تحتوي على نواة عالية الكثافة وموجبة الشحنة.

يفسر الشكل الآتي السبب في أن تجربة رقاقة الذهب كانت رائدة، ولماذا لا يمكن التوفيق بينها وبين نموذج طومسون أو حلوى البرقوق للذرة. قال طومسون إن أي ذرة تحتوي على إلكترونات صغيرة مطمورة في بحر من الشحنات الموجبة. ويعني هذا أن الكتلة الموجبة الشحنة للذرة يجب ألَّا تتركز في نقطة صغيرة جدًّا في الفراغ. ويجب أن تكون موزعة بالتساوي نسبيًّا عبر المحيط الكلي الذرة. يجب ألَّا يكون لجسيمات ألفا تفاعلات قوية مع الذرات إذا كان نموذج حلوى البرقوق وصفًا دقيقًا للتركيب الذري. وتوصل رذرفورد إلى ذلك بنفسه، واقترح في النهاية النموذج النووي للذرة أو نموذج رذرفورد للذرة. ينص النموذج النووي على أن الذرة تحتوي على نواة. وأن النواة موجبة الشحنة، وتشغل نسبة مئوية صغيرة للغاية من الحجم الكلي للذرة. وافترض أن النواة الموجبة الشحنة تدور حولها الإلكترونات ضئيلة الكتلة التي اكتشفها جيه جيه طومسون. وافترض وجود فراغ كبير بين النواة الموجبة الشحنة وإلكتروناتها ضئيلة الكتلة. ولم يفترض النموذج النووي أن الذرة متماثلة الكثافة. ويمكن مقارنة النموذج النووي للذرة بتركيب النظام الشمسي. تدور الإلكترونات حول النواة بالطريقة نفسها التي يفترض أن تدور بها الكواكب ذات الكتلة المنخفضة نسبيًّا حول الشمس.

اُفترض النموذج أن للذرة شحنة كهروستاتيكية كلية متعادلة؛ لأنه كان يُفترض أن مجموع الشحنات الكهربية السالبة يساوي الشحنة الموجبة للنواة الذرية. وكان يُفترض أن الإلكترونات لا تسقط في النواة لأنها تدور حولها بسرعة كبيرة. وافتُرض أن تكون قوة الجذب بين الإلكترونات والنواة مساوية ومضادة للقوى الطاردة المركزية التي تتعرض لها الإلكترونات.

نجح النموذج النووي للذرة في تفسير الملاحظات المحيرة لتجربة رقاقة الذهب واحدة تلو الأخرى، لكن لا يمكن استخدامه لفهم طيف انبعاث ذرات الهيدروجين. كما أنه عجز عن التوصل إلى تفسير مرضٍ لسبب عدم فقد الإلكترونات كامل طاقتها عند دورانها حول النواة الموجبة الشحنة. كان واضحًا أن النموذج الذري ما يزال غير مكتمل، وهو ما دفع نيلز بور إلى طرح نموذج جديد للتركيب الذري. طرح بور نموذجًا ميكانيكيًّا كميًّا. انتهى بور في النهاية إلى اقتراح ما يعرف الآن بنموذج الكواكب أو نموذج بور الذري.

كان نيلز بور عالمًا دنماركيًّا لامعًا عمل في البداية مع جيه جيه طومسون ثم اتجه لاحقًا إلى إجراء مراجعة كبيرة للمفهوم المتعارف عليه للتركيب الذري. واعتمد جزء كبير من عمله على طيف انبعاث ذرات الهيدروجين. كان من المعروف أنه يمكن جعل ذرات الهيدروجين تبعث ضوءًا أزرق، لكن لم يتمكن العلماء من وصف سبب حدوث عملية الانبعاث هذه بدقة. وفشلوا في تفسير سبب أن الضوء الأزرق المنبعث كان دائمًا هو المزيج نفسه من أربعة أنواع مختلفة من الفوتونات التي لكل منها طول موجي محدد.

ويوضح الشكل الآتي كيف يمكن للعلماء توليد طيف انبعاث باستخدام غاز الهيدروجين. يمكنهم استخدام تيار كهربي لإثارة عينة من غاز الهيدروجين أو زعزعة استقرارها. تبعث هذه العينة المثارة من غاز الهيدروجين إشعاعًا لونُه أزرق غامق. يمكن بعد ذلك تقسيم إشعاع الضوء الأزرق اللون إلى فوتوناته المُكَوِّنة إذا انكسر باستخدام منشور زجاجي. ويمكن تحديد الطول الموجي لكل فوتون إذا جعلنا الفوتونات تتفاعل مع أحد أجهزة كشف الضوء.

درس بور طيف الانبعاث للهيدروجين، وطرح في النهاية نموذجًا ذريًّا جديدًا. اقترح بور أن تكون النواة الذرية محاطة بإلكترونات تقتصر بشكل أساسي على مستويات طاقة منفصلة أثناء دورانها حول النواة. يبقى بعض الإلكترونات في مستوى طاقة معين، وتبقى إلكترونات أخرى عند مستوى طاقة مختلف تمامًا. تدور الإلكترونات بسرعة حول النواة الذرية المركزية الموجبة الشحنة بصورة تشبه إلى حد كبير الكواكب التي تدور حول الشمس. يفترض أن يحدد نصف قطر مدار الإلكترون مستوى طاقته. تكون طاقة الإلكترونات منخفضة نسبيًّا إذا كان نصف قطر مدارها صغيرًا، وتكون طاقتها عالية نسبيًّا إذا كان نصف قطر مدارها كبيرًا.

استخدم بور عدد الكم الرئيسي () ليصف بفعالية نصف قطر المدار. استخدمت أعداد الكم الرئيسية المنخفضة للتعبير عن الإلكترونات التي مداراتها ذات نصف القطر الأصغر، واستخدمت أعداد الكم الرئيسية الأعلى للتعبير عن الإلكترونات التي مداراتها ذات نصف القطر الأكبر. افترض بور أن إلكترونات أي ذرة ستدور عادة بشكل مستمر حول النواة الذرية عند مستوى طاقة محدد جيدًا. ولن تتحرك الإلكترونات باتجاه النواة الذرية أو بعيدًا عنها ما لم تتأثر الإلكترونات بطاقة خارجية. ويمكن أن تُجبِر طاقة خارجية الإلكترون على الانتقال من الحالة الأرضية إلى مستوى طاقة أعلى وأقل استقرارًا. وهذا لن يحدث إلا إذا طابقت الطاقة الممتصة «فرق الطاقة» بين الحالة الأرضية ومستوى الطاقة الأعلى والأقل استقرارًا. وبعد ذلك يعود الإلكترون غير المستقر سريعًا إلى حالته الأرضية الأصلية. يُفترض أن تؤدي عملية فقد الإثارة إلى إطلاق فوتون يمكن تحديد طاقته أو طوله الموجي على أنه الفرق في الطاقة بين حالتي الإلكترون المثارة والأرضية.

يوضح الشكل الآتي كيف يمكن استخدام نموذج بور للذرة لشرح طيف الانبعاث للهيدروجين. يفترض أن جميع الفوتونات المنبعثة تكون مصاحبة لعمليتي الإثارة أو فقد الإثارة لإلكترون محدد. ويفترض أن تكون الفوتونات الحمراء المنبعثة مصاحبة لانتقال الإلكترونات المثارة من مستوى الطاقة الثالث () إلى مستوى الطاقة الثاني (). وتكون الفوتونات الزرقاء مصاحبة لانتقالات الإلكترون بين مستويي الطاقة الخامس () والثاني ()، وتكون الفوتونات الخضراء مصاحبة لانتقالات الإلكترون بين مستويي الطاقة الرابع () والثاني ()، ويفترض أن ترتبط الفوتونات البنفسجية بانتقالات الإلكترون بين مستويي الطاقة السادس () والثاني ().

نموذج بور للذرة يسمى نموذجًا ميكانيكيًّا كميًّا لأنه يصف كيف يمكن للإلكترونات أن تمتص أو تبعث حزم منفصلة من الطاقة (كمَّات). ولن تنتقل الإلكترونات من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة آخر ما لم تمتص المقدار المناسب من الطاقة. لن تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة إلا إذا امتصت فوتونات لها الطول الموجي المناسب تمامًا. من المهم أن ندرك أن فرق الطاقة بين الأغلفة الإلكترونية المتتالية ليس متساويًا. يوجد فرق في الطاقة كبير نسبيًّا بين بعض الأغلفة الإلكترونية المتجاورة، وفرق في الطاقة أصغر بكثير بين الأغلفة الإلكترونية المتجاورة الأخرى. يُفترض أن يقل «فرق الطاقة» بين الأغلفة الإلكترونية المتتالية كلما ابتعدنا عن النواة الذرية.

عُرف بور بصفته أحد أهم علماء فيزياء الكم في القرن العشرين لأنه وضع نموذجًا بسيطًا نسبيًّا يمكن استخدامه لتفسير أطياف الانبعاث للهيدروجين التي تعذَّر تفسيرها. ومع ذلك، كان من الواضح أنه ما يزال نموذجًا ناقصًا لأنه لا يمكن تطبيقه لفهم أطياف الانبعاث للذرات الأخرى التي لها عدد ذري أكبر. كان واضحًا آنذاك أن نموذج بور غير مكتمل، لكن لم يتضح مدى نقصه حتى أظهر شرودنجر أن الإلكترونات لا تتحرك في مدارات ثابتة حول النواة وأوضح هايزنبرج أنه لا يمكننا تحديد موضع وكمية تحرُّك إلكترون بدقة مطلقة في نفس الوقت. لم يكن بور على علم بمبدأ عدم التأكد، وافترض خطأً أن الإلكترونات تتحرك في مسارات ثابتة حول النواة الموجبة الشحنة. افترض أن الذرات في الأساس مستوية، وتحتوي على إلكترونات تدور حول النواة بصورة تشبه إلى حدٍّ كبير الكواكب التي تدور حول الشمس. سيطوِّر الجيل التالي من علماء فيزياء الكم هذا التفسير المبسط للتركيب الذري، وسيظهرون أن الإلكترونات توصف بدقة أكبر على أنها سُحب ثلاثية الأبعاد من كثافة إلكترونية سالبة الشحنة. يقارن الشكل الآتي بين نموذج بور المبسط للذرة والنموذج الأكثر دقة الذي وضعه إرفين شرودنجر.

مثال ٤: تحديد الوصف الأكثر دقة لنموذج الكواكب الذري لبور

أي المخططات يمثل بصورة أوضح نموذج بور للغلاف الإلكتروني للذرة؟

أ.

ب.

ج.

د.

هـ.

الحل

طرح نيلز بور نموذجًا ذريًّا تمكن من تفسير طيف الانبعاث لذرات الهيدروجين. افترض بور أن الذرة تحتوي على نواة موجبة الشحنة تدور حولها إلكترونات ضئيلة الكتلة للغاية. واقترح أن إلكترون أي ذرة يدور عادة حول النواة الذرية في مستوى طاقة محدد جيدًا. وافترض أن يحدد نصف قطر مدار الإلكترون مستوى طاقته. وتكون طاقة الإلكترونات منخفضة نسبيًّا إذا كان نصف قطر مدارها صغيرًا، وتكون طاقتها عالية نسبيًّا إذا كان نصف قطر مدارها كبيرًا. يمكننا استخدام هذه العبارات لنثبت أن الخيار أ هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

أجرى جيمس تشادويك بعض التجارب العلمية التي ساعدته في تحسين النموذج الذري. استخدم مصدرًا لإنتاج جسيمات ألفا، ووجه جسيمات ألفا هذه نحو عينة من البريليوم. أطلق البريليوم نوعًا مجهولًا من الإشعاع عند قصفه بجسيمات ألفا. ثم وُجِّه هذا الإشعاع المجهول نحو شمع من البارافين. أدى هذا التفاعل إلى اضطراب شمع البارافين، وأطلق في النهاية بروتونات. جرى عَدُّ البروتونات باستخدام كاشف. واستخدم جيمس تشادويك هذه التجربة لتوضيح أن الإشعاع المجهول يتكون من جسيمات متعادلة الشحنة، المعروفة الآن بالنيوترونات. اكتشف تشادويك وجود النيوترون، واستُخدم عمله لشرح وجود النظائر الكيميائية.

يقدم الشكل الآتي ملخصًا بسيطًا ويسهل فهمه لهذا الشارح. يستخدم الشكل رسومًا تخطيطية توضيحية بسيطة لوصف كيف تحول المجتمع تدريجيًّا من رؤية الذرات على أنها كرات مُصمتة بلا خواص إلى رؤيتها باعتبارها إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول نواة موجبة الشحنة من البروتونات والنيوترونات. ويوضح أيضًا أن المجتمع بدأ في النهاية يتجاهل تمامًا فكرة أنه ينبغي التفكير في الإلكترونات باعتبارها جسيمات صُلبة لها حدود محددة جيدًا. ويوضح كيف انتقلنا من عدم وجود فهم تقريبًا للتركيب الذري إلى التوصل إلى فهم شبه كامل للتركيب الذري. التطورات والأفكار اللاحقة في خواص وتركيب الذرات تُستعرض في شوارح أخرى في نجوى.

لنلخص ما تعلمناه عن تطور النموذج الذري.